L’estimation de l’état fonctionnel de l’opérateur (c’est-à-dire le patron multidimensionnel de conditions physiologiques et comportementales qui régule les performances) a un grand potentiel pour l’augmentation de la sécurité et de la fiabilité de systèmes critiques. L’apprentissage automatique, qui a connu des avancées importantes au cours des dernières années, est une avenue à explorer pour effectuer cette estimation. Une problématique dans l’utilisation de ces techniques est la formalisation de l’OFS en une mesure objective permettant de fournir un signal d’entraînement à l’apprentissage automatique. Ce mémoire présente une mesure, la performance dynamique décontextualisée, permettant d’utiliser ces techniques pour estimer l’état fonctionnel de plusieurs participants, pour plusieurs tâches expérimentales différentes. Cet ouvrage explore également les performances obtenues par plusieurs techniques d’apprentissage automatique dans divers contextes. Entre autres, la généralisation des modèles entraînés à de nouveaux participants ou de nouvelles tâches expérimentales et l’utilisation du contexte expérimental sont étudiées. / The assessment of an operator’s functional state (i.e., the multidimensional pattern of human psycho-physiological conditions that mediates performance) has great potential for increasing safety and reliability of critical systems. Machine learning, which has had success in recent years, is a technique which should be investigated for this task. An open question in the use of machine learning algorithms for the assessment of the operator’s functional state is the formalization of the operator’s state in an objective measure that can provide a training signal for the algorithms. This Master’s thesis introduces the decontextualized dynamic performance, a measure which enables the use of machine learning for many experimental tasks and many participants simultaneously.This work also explores the performances obtained by machine learning techniques in some contexts. The generalization of the trained models to new participants, or new tasks as well as the utilization of the training context is investigated.

La scoliose est la pathologie déformante du rachis la plus courante de l'adolescence. Dans 80 % des cas, elle est idiopathique, signifiant qu'aucune cause n'a été associée. Les scolioses idiopathiques répondent à un modèle multifactoriel incluant des facteurs génétiques, environnementaux, neurologiques, hormonaux, biomécaniques et de croissance squelettique. Comme hypothèse neurologique, une anomalie vestibulaire provoquerait une asymétrie d'activation des voies vestibulospinales et des muscles paravertébraux commandés par cette voie, engendrant la déformation scoliotique. Certains modèles animaux permettent de reproduire ce mécanisme. De plus, des anomalies liées au système vestibulaire, comme des troubles de l'équilibre, sont observées chez les patients avec une scoliose. La stimulation vestibulaire galvanique permet d'explorer le contrôle sensorimoteur de l'équilibre puisqu'elle permet d'altérer les afférences vestibulaires. L'objectif de cette thèse est d'explorer le contrôle sensorimoteur en évaluant la réaction posturale provoquée par cette stimulation chez les patients et les participants contrôle. Dans la première étude, les patients sont plus déstabilisés que les contrôles et il n'y a pas de lien entre l'ampleur de l'instabilité et la sévérité de la scoliose. Dans la deuxième étude, à l’aide d’un modèle neuromécanique, un poids plus grand aux signaux vestibulaires a été attribué aux patients. Dans la troisième étude, un problème sensorimoteur est également observé chez les jeunes adultes ayant une scoliose, excluant ainsi que le problème soit dû à la maturation du système nerveux. Dans une étude subséquente, des patients opérés pour réduire leur déformation du rachis, montrent également une réaction posturale de plus grande amplitude à la stimulation comparativement à des participants contrôle. Ces résultats suggèrent que l’anomalie sensorimotrice ne serait pas secondaire à la déformation. Finalement, un algorithme a été développé pour identifier les patients ayant un problème sensorimoteur. Les patients montrant un contrôle sensorimoteur anormal ont également une réponse vestibulomotrice plus grande et attribuent plus de poids aux informations vestibulaires. Globalement, les résultats de cette thèse montrent qu’un déficit sensorimoteur expliquerait l’apparition de la scoliose mais pas sa progression. Le dysfonctionnement sensorimoteur n’est pas présent chez tous les patients. L’algorithme permettant une classification de la performance sensorimotrice pourrait être utile pour de futures études cliniques. / Scoliosis is the most frequent spinal deformity in adolescence. In 80% of the cases, it is idiopathic, meaning that no cause has been associated with the patient's case. Idiopathic scoliosis seems to respond to a multifactorial model including genetic, environmental, neurological, hormonal, biomechanical and skeletal growth factors. A neurological assumption is that an anomaly of the vestibular system would cause asymmetrical activation of the vestibulospinal pathway and of paraspinal muscles. This cascade would generate the scoliotic deformity. Animal models have demonstrated this possibility. In addition, many vestibular related anomalies are observed in adolescents with scoliosis as vestibulo-ocular reflex abnormalities or balance control disorders. Galvanic vestibular stimulation allows exploring sensorimotor control by faltering the vestibular afferents. The objective of this thesis is to explore the sensorimotor control through vestibular-evoked postural response in patients with scoliosis and healthy controls. The results of the first study show that the vestibular-evoked postural response is larger in patients compared to controls. Moreover, the amplitude of the postural response is not scaled to the spinal deformation amplitude. In a second study, through a neuromechanical feedback control model, we demonstrate that patients assigned a larger weight to vestibular signal compared to controls. Results of the third study reveal that young adults with idiopathic scoliosis, compared to controls, have a larger postural response. This observation excludes a transient response due to the maturation of the nervous system. Then, balance control impairment seems secondary to a neurosensory phenomenon as balance control dysfunction is observed in patients who had surgery reducing spine deformation. Ultimately, an algorithm has been developed to distinguish patients with or without sensorimotor control problems compared to healthy adolescents. Remarkably, the amplitude of the feedforward vestibular response of these patients is larger and they assign a larger weight to vestibular than proprioceptive information. Overall, this thesis proposes a procedure to identify patients with scoliosis having sensorimotor control impairment. In the end, it is believed that the classification procedure may help future clinical studies as patients with sensorimotor dysfunction could be identified. Hopefully, future research will enhance this procedure and lead to an efficient biomarker.

En psychologie du sport, les capacités perceptivo-cognitives des athlètes ont surtout été étudiées selon le paradigme experts-novices (Wrisberg, 2001). Selon le contexte à l’étude (p. ex. expertise, représentativité des tâches), le nombre et la durée des éléments visuels fixés varient (Broadbent et al., 2015). Toutefois, une constante demeure : les athlètes experts anticipent plus efficacement la suite de l’action que des novices (McRobert et al., 2011). Au cours des deux dernières décennies, des chercheurs ont comparé les capacités perceptivo-cognitives d’experts entre eux parmi plusieurs sports (p. ex.soccer, taekwondo, volley-ball). Ces études vérifient si de subtils facteurs permettent de mieux comprendre la performance experte en sport (p. ex. Milazzo et al., 2015). Un facteur ne semble toutefois pas avoir été étudié, soit la responsabilité décisionnelle. Dans une perspective d’expertise, le volley-ball est intéressant car la spécialisation à une position y est marquée. Plus important encore, l’une des positions au volley-ball, celle du passeur, comporte une plus grande responsabilité décisionnelle que les autres. En effet, ces joueurs doivent fréquemment décider à quel attaquant envoyer le ballon pour maximiser les chances de marquer le point. L’objectif général de la thèse est de vérifier si des différences perceptivo-cognitives existent entre des experts ayant une grande responsabilité décisionnelle en raison de la position occupée et d’autres experts issus du même domaine. Deux études ayant des buts spécifiques sont incluses dans la thèse pour répondre à cet objectif. La première étude est basée sur le Recognition-Primed decision model (RPDM). Ce modèle explique comment des experts prennent des décisions lors de situations issues de leur domaine d’expertise. Le but de l’étude est de comparer, sur la base du modèle, le processus d’anticipation des passeurs avec celui d’autres experts et de non-experts. Vingt-cinq passeurs, 36 autres experts et 19 contrôles ont visionné 50 séquences vidéo de volley-ball : 10 services, 10 réceptions, 10 passes, 10 attaques et 10 contres. Les séquences s’arrêtaient 120 ms avant lecontact du joueur avec le ballon et les participants devaient expliquer verbalement leur processus d’anticipation en répondant à quatre questions : « Que feriez-vous face à cette situation? », « Que regardiez-vous ? », « À quoi pensiez-vous ? » et« Qu’est-ce qui vous a mené à prendre cette décision? ». Les réponses ont été transcrites verbatim et transformées en score de ressemblance avec le modèle, où des points étaient attribués en fonction du nombre et de la pertinence des verbalisations en lien avec le modèle. Les résultats révèlent que les scores des passeurs étaient plus élevés que ceux des autres experts et que ceux des contrôles. Les autres experts ont aussi obtenu de meilleurs scores que les contrôles. Les résultats valident le RPDM et montrent son utilité pour identifier des décideurs clés. La seconde étude présente des résultats obtenus à l’aide de mesures plus fréquemment utilisées en psychologie du sport, soit le suivi des mouvements oculaires et l’efficacité d’anticipation. Les mêmes participants que ceux de la première étude (en plus d’un passeur et d’un contrôle supplémentaire) ont visionné les mêmes séquences vidéo. Lors de l’occlusion des séquences, les participants devaient prédire la direction du ballon. De plus, leurs mouvements oculaires sur l’écran d’ordinateur étaient enregistrés. Les résultats révèlent que les passeurs et les contrôles fixent plus souvent, mais en moyenne moins longtemps, que les autres experts. Toutefois, les deux groupes d’experts anticipent mieux la direction du ballon que les contrôles. Une analyse dynamique des mouvements des yeux indique que le haut du corps du joueur adverse juste avant le contact est un indice visuel important dans toutes les situations de jeu. Les résultats montrent que les passeurs forment un sous-groupe d’experts qui se distinguent par la façon avec laquelle ils lisent le jeu, sans pour autant être meilleurs pour l’anticiper. Considérés dans leur globalité, les résultats des deux études indiquent que les passeurs ont une façon spécifique de chercher des informations visuelles et d’expliquer leurs décisions. Ces résultats suggèrent que la responsabilité décisionnelle peut être un facteur à considérer pour diversifier les capacités perceptivo-cognitives des athlètes. Il est recommandé que des études sur le terrain soient menées, tant en volley-ball que dans d’autres sports où une position ayant une responsabilité décisionnelle peut être identifiée (p. ex. quart-arrière au football). / In sports psychology, researchers mostly analyzed athletes’ perceptual cognitive skills using the “experts-novices” paradigm (Wrisberg, 2001). Depending on the research context (e.g., expertise, task representativeness), the number and duration of ocular fixations vary (Broadbent et al., 2015). However, one result seems consistent from one study to the next: expert athletes anticipate better the follow-up action than novices do (McRobert et al., 2011). In the last two decades, an observable trend in sports psychology invites researchers to clarify the notion of perceptual-cognitive expertise by comparing expert athletes among themselves. These studies aim at isolating subtle factors involved in expert performance (e.g., Milazzo et al., 2015). A factor yet to be studied in this perspective concern decisional responsibilities. From an expertise perspective, volleyball is quite interesting: it is one of the sports where specialization in a specific position is the most marked. Most importantly, one position, namely the setter, involves greater decisional responsibility than other positions. They frequently have to decide to which hitter they need to set the ball to in order to maximize the chances of scoring. Therefore, the general goal of the thesis is to compare experts with important decisional responsibility with experts from the same domain having less responsibility. Two studies with specific goals address this question. The first study is based on the Recognition-primed decision model (RPDM). The RPDM explains how experts make decisions when facing situations from their area of expertise. The aim of the study is to analyze, with respect to the model, how setters differ regarding anticipation process compared to other experts and non experts. Twenty-five setters, 36 other players and 19 controls viewed 50 volleyball video sequences: 10 services, 10 receptions, 10 sets, 10 attacks and 10 blocks. Sequences stopped 120 ms before ball contact and participants had to explain their anticipation process by answering four questions verbally: “What would you do facing this situation?”, “What were you looking at?”, “What were you thinking of?” and “What led you to this decision?”. Answers were transcribed verbatim. Scores were computed, where points were awarded depending on verbalization number and relevance with the model. Results revealed that setters scored generally higher than other players and controls. Other players also had higher scores than controls. Results support the validity of the RPDM to explain how volleyball players with different levels of decision-making responsibilities differ. Discussion suggests the validity of the RPDM and to use it as a tool to identify key decision-makers. The second study considers more frequent perceptual-cognitive measures, namely eye movement and anticipation efficacy. The same participants as in the first study (in addition to a supplementary setter and a control) watched the same video sequences. Sequences stopped 120 ms before ball contact and participants, whose eye movements were recorded, had to predict the ball direction. Results revealed that setters and controls made more but shorter fixations than other players. However, both expert groups made better predictions than controls. Dynamic analysis of eye movement over time shows that players’ upper body is a most relevant attentional cue right before all types of ball contact, as both expert groups attend this specific area of interest more than controls. Results are discussed in terms of decision-making responsibilities to identify key decision-makers in volleyball and in general. Results point towards specific perceptual-cognitive abilities found in setters and support the idea that setters constitute a subgroup of experts, although they are not better than other players in anticipating the game.Taken altogether, the results from both studies indicate that setters can be considered a subgroup of expert volleyball players, as they present with a different way of gathering visual information and explaining their anticipation process. These results suggest that decisional responsibility could be considered as a factor indiversifying athletes’ perceptual-cognitive skills. It is recommended that in-situ studies be carried out, both in volleyball and in other sports where a position with decision-making responsibility can be identified (e.g., quarterback in American football).

L’objectif de ce mémoire était de comparer le contrôle visuo-locomoteur en fauteuil roulant manuel et motorisé chez des personnes expérimentées en fauteuil roulant. Des individus ayant une lésion de la moelle épinière ont été recrutés, soient plus précisément 12 usagers de fauteuil roulant manuel et 10 de fauteuil roulant motorisé. Les participants devaient naviguer avec leur fauteuil roulant à une vitesse naturelle en ligne droite, lors de changement de direction et lors de contournement d’obstacle. Les résultats n’ont démontré aucune différence entre les groupes concernant le comportement navigationel et la coordination de la réorientation du corps et du fauteuil roulant. Le comportement visuel semblait dépendre davantage des exigences environnementales. Ainsi, les usagers en fauteuil roulant manuel et motorisé ont adopté des stratégies navigationnelles et une coordination temporelle visuo-locomotrice similaires lors de changements de direction et de contournements d’obstacle. Les résultats ont également démontré des similitudes dans la coordination visuo-locomotrice avec la marche bipède, suggérant ainsi une généralisation des stratégies visuo-locomotrices parmi différents modes de locomotion. Ces résultats pourront aider à l’évaluation et à l’entraînement des habiletés en fauteuil roulant manuel et motorisé par les cliniciens, en plus d’aider au développement de technologies d’assistance à la navigation basées sur le contrôle visuo-locomoteur des personnes expérimentées en fauteuil roulant. / The objective of this master’s thesis was to compare the visuo-locomotor control in manual and power wheelchair in experienced wheelchair users. Therefore, individuals with a spinal cord injury were recruited; more precisely 12 manual wheelchair users and 10 power wheelchair users. The participants were asked to navigate with their own wheelchair at natural self-selected speed straight-ahead, while changing direction and while circumventing an obstacle. No difference between groups was found for the navigational behavior as well as for the temporal body and wheelchair coordination. Specific gaze behavior depended predominantly on the environmental demands. In conclusion, manual and power wheelchair users adopted similar navigational strategies and body and wheelchair coordination while changing direction and circumventing an obstacle. These results also demonstrated similarities with visuo-locomotor coordination with biped gait, which suggest a generalization in visuo-locomotor coordination strategies across different locomotor modes. Such results may help evaluating and training WC skills, as well as developing assistive navigational technologies based on one’s natural visuo-locomotor control.

Bien que l’imagerie motrice positive ait été bien étudiée et est utilisée en réhabilitation, l’effet de l’imagerie motrice négative est beaucoup moins connu. Le but de cette recherche était de définir si l’intention et/ou l’imagerie motrice négative serait en mesure de réduire l’effet d’une stimulation magnétique transcrânienne (SMT) sur le cortex moteur. Vingt participants ont reçu trente stimulations de SMT dans trois situations différentes : En restant passif, en portant une attention particulière aux sensations dans leur main ou en tentant de réduire l’effet de la SMT. La moitié des participants ont utilisé une stratégie d’imagerie motrice, l’autre moitié leur intention. Dans les deux cas, l’amplitude dans la condition de modulation n’a pas été réduite de façon significative. / Although positive motor imagery has been widely studied and is used in rehabilitation, the effect of negative motor imagery on our motor system is less well understood. Our goal was to ascertain whether intention and/or negative visual imagery is effective in decreasing the twitch resulting from transcranial magnetic stimulation (TMS) over the primary motor cortex. Twenty participants received 30 TMS stimulations in three different conditions: remaining passive, paying particular attention to the sensations in their hand, and attempting to modulate the amplitude of the resulting movement. To do this, half the participants used an imagery strategy, whereas the other half used an intention strategy. In both cases, amplitude in the modulation condition was not significantly reduced.